海水魚飼育水を処理する脱窒リアクターへの添加

海水魚飼育水を処理する脱窒リアクターへの添加有機物濃度の影響
長岡技術科学大学
○古川斐人，濱口威真，川上周司，高橋優信，山口隆司
大成建設㈱
森
正人，川又
睦
1. は じ めに
従来，海洋水族館における飼育水の処理システムの多くは，水生生物の排泄物や残餌を砂ろ過などのろ過
装置で除去し，その処理水を飼育水として再利用する閉鎖型 ( 循環型 ) の水処理システムが用いられてきた．
従来のシステムは， SS 等の固形性成分は除去できるが，水生生物にとって有害であるアンモニア態窒素
(NH4+-N)，亜硝酸態窒素(NO2--N )，硝酸態窒素(NO3--N )等が満足に処理されず蓄積するため，水生生物の飼
育環境が破綻することになる．この対策として，現在の海洋水族館における飼育水の水質維持方法は，海水
の交換による希釈操作に依る方法がとられている．しかしながら希釈による水質維持は，１日あたり全飼育
水量の 5 ～10%の交換水が必要であり，莫大な水量を必要とする水族館では多大な管理コストが掛かる．そ
のため多くの水族館では，蓄積する窒素態成分の除去が可能で，交換水量を削減できる閉鎖型の水処理シス
テムの導入が望まれている．
そこで本研究では，海水魚飼育水中に蓄積する NO3--N の除去を目的として，海水魚が実際に飼育してい
る水槽 ( ろ過装置付き ) に脱窒リアクターを付加して連続処理試験を行った．実験は，脱窒反応に必要な電
子供与体に酢酸ナトリウムを用い，脱窒リアクターに供給する gC/gN 比を変化させたときの海水からの脱窒
の性能について評価した．
2. 実験方法
図 1 は ， 実験装置の概要図を示す ． 実験装置の構成は飼育水
槽 200 L ， ろ過装置 ( コ ト ブキ製 ： SV4500 ， SV 9000) お よ び
脱窒 リ ア ク タ ー ( 高 さ ： 1.05m ， 容積 ： 2L( 飼育水槽の1/100))
と した ．
飼育水は，塩濃度 3.5 % の人工海水を作成し用いた．海水魚
を生存させるためのその他の条件は， pH 8.0 ，水温 25℃， DO
5.0 mg/L 以上とした．海水魚の飼育量は，飼育水量に対する魚
体密度で約 3 kg/m3 となるよう約518g分の魚体を投入した．魚
体への給餌量は，魚体密度 (3kg/m3) の 1% と設定し， 6g/d とし
た．
図 1 実験装置概要図
ろ過装置は，水族館における既存の水処理装置としての位
置づけで用いており，主に水生生物の排泄物や残餌の除去お
表 1 脱窒リアクターの運転条件
よびアンモニア態窒素の硝化による硝酸態窒素の生成を担う．
ろ過装置への飼育水の供給速度は， 200 L/h とした．
脱窒リアクターは，既存の水処理システム ( ろ過装置のみ )
では蓄積が予想される硝酸態窒素の除去を担う．表 1 は，脱窒
リアクターの運転条件を示す．運転 RUN は，脱窒リアクター
に供給する gC/gN 比の変化の別により 1 ～ 4 とした．運転76～
87日目および 127 ～ 132 日目は，有機物の添加不良により評価から除外した．ろ過装置への飼育水の供給速
度は， 0.8 L/h( 水理学的滞留時間 (HRT) ： 2.5 h) とした．脱窒反応に必要な電子供与体には，酢酸ナトリウ
ムを用いた．
添加有機物濃度は ， 流入す る NO3--N と 飼育水に流入す る 酸素の消費に要す る 有機物量を考慮 し ， 式 (1)
に よ り 算出 し た ． 式 (2), (3) に示す よ う に ， 脱窒反応 と 酸素消費に必要な添加有機物濃度の比の理論値は
gC/gN 比 1.07 ， gC/gO 比 0.375 と な っ た ．
本実験は ， 脱窒性能を評価す る ため ， 酸素消費に必要な gC/gO 比は理論比であ る 0.375 で固定 と し た ．
添加有機物濃度 (mg/L) = gC/gN 比 × 流入 NO3--N 濃度+ 0.375 ×流入 DO 濃度
(1)
-
(2)
CH3COONa + 2O2 → H2O + 2CO2 + NaOH
(3)
5CH3COONa + 8NO3 → 4N2 + 9H2O + 10CO2 + 5NaOH
3. 実験結果お よ び考察
図 2 は，脱窒リアクターの流入水と流出水の酸化還元電位
(ORP) と窒素態濃度および硝酸・亜硝酸態窒素 (NOx-N(=
NO2--N + NO3--N)) 除去率の経日変化を示す．
運転期間を通して脱窒リアクターの処理水中のORPと DO
の平均値は，それぞれが -275 mV ， 0.37 mg/L であり，脱窒
反応が進行しうる環境を維持できた．
gC/gN 比 3.0 で運転を行ったRUN 1では，脱窒リアクター
処理水中の NO3--N 濃度は平均0.49 ± 0.03 mg-N/L， NO2--N
が平均 0.03 ± 0.003 mg-N/L であった．RUN 1におけるNOx-N
除去率は，平均 95 % と高い脱窒性能が得られた．
RUN 2では， gC/gN 比 1.07( 理論値 ) で有機物を添加した．
RUN 2では脱窒リアクター処理水中に1~4 mg-N/Lの NO3--N
が残存した．また，脱窒反応の中間生成物である NO2--N 濃
度は，平均3.54 ± 0.34 mg/Lと RUN1 に比べて上昇した．
RUN 2におけるNOx-N除去率は，平均 80 % であり，除去率
低下の原因として添加有機物量の不足が考えられた．
そこでRUN 3では，脱窒性能の向上のために gC/gN 比を
1.5 に変更した．RUN 3における脱窒リアクター処理水中の
NO3--N 濃度は，平均 0.2 ± 0.02 mg-N/L ， NO2--N は平均
0.39 ± 0.07 mg-N/Lが得られ，NOx-N除去率も平均 97 % と高
い処理性能を達成した．
RUN 4では gC/gN 比を 1.3 に設定した．結果として，USB
槽処理水中の NO3--N および NO2--N 濃度の平均は，それぞ
れ0.46 ± 0.07 mg-N/L，0.03 ± 0.01 mg-N/Lであり， gC/gN 比
1.5 で運転を行ったRUN 3と同程度の除去率である 97 % を
得た．
運転開始から約 150 日間であるが，魚体は生育しており，
脱窒リアクターの導入は魚体に悪影響を起こさないことが示
唆された．
4. ま と め
本研究で得 ら れた知見を以下に示す ．
図 2 槽内のORP と 窒素濃度お よ び
NOx-N除去率の経日変化
1) 脱窒 リ ア ク タ ーに よ る NOx-N除去率は ， gC/gN 比 1.3 に
おいて平均除去率 97 % 以上を得た ．
2) 脱窒 リ ア ク タ ーを導入 し た飼育水槽中の魚体は生育 し てお り ， 脱窒 リ ア ク タ ーの導入は魚体に悪影響を
起 こ さ ない こ と が示唆 さ れた ．